太陽(yáng)能光伏光熱一體化建筑工程應(yīng)用

1、太陽(yáng)能光伏光熱一體化建筑工程應(yīng)用點(diǎn)擊次數(shù)：384來(lái)源網(wǎng)站：發(fā)布時(shí)間：2011-04-06【核心提示】太陽(yáng)能在我國(guó)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，在建筑中的應(yīng)用可分為光熱利用和光電利用兩種。但到日前為 止，太陽(yáng)能在建筑中的普及率連10%都不到，且基本僅限于光熱領(lǐng)域。這么低的利用率，還大量集中在光熱領(lǐng)域中 的繪末端產(chǎn)品屋頂太陽(yáng)能熱水器。太陽(yáng)能光伏建筑-體化近年來(lái)成為研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，也出現(xiàn)了大量的成功示范工程。本文試圖對(duì)太陽(yáng)能光伏一體 化的實(shí)現(xiàn)方法并在建筑上的應(yīng)用進(jìn)行探索與研究，提出一種新型的建筑節(jié)能應(yīng)用方武。一、引言隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對(duì)丁常規(guī)能源的消耗不斷加劇，諸如煤炭、石汕、天然氣等能源的消耗呈不斷

2、 i：升趨勢(shì)。日益増長(zhǎng)的需求導(dǎo)致各種能源過(guò)度開(kāi)采，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響,目前各國(guó)都在致力于開(kāi)發(fā)新能源。太陽(yáng)能是永不枯竭的綠色能源，是21世紀(jì)最具開(kāi)發(fā)潛力、最清潔環(huán)保的能源乙-。我們知道，在所有的能源 消耗中，建筑物的建設(shè)與運(yùn)行人約占了其中的50%。因此,如何開(kāi)發(fā)環(huán)保節(jié)能建筑成為各國(guó)科學(xué)家共同研究的課題。 亳無(wú)疑問(wèn)，若能將太陽(yáng)能與建筑結(jié)合起來(lái)，將是降低建筑能耗的最佳途徑。太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用可分為光熱利用利光電利用兩種。光熱利用主要是用太陽(yáng)能采暖和制冷，進(jìn)行空氣調(diào)節(jié); 光電技術(shù)利用則是太陽(yáng)能發(fā)電，為建筑物提供照明用電等。太陽(yáng)能光電技術(shù)在建筑中的應(yīng)用由于成本較髙，在大部分國(guó)家都還沒(méi)有普及。而光熱

3、技術(shù)成本和對(duì)較低，適合 批量生產(chǎn)及商業(yè)化動(dòng)作，在很多發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛的普及。將太陽(yáng)能光伏光熱-體化系統(tǒng)應(yīng)川在現(xiàn)代建筑上將 是耒來(lái)建筑節(jié)能的重要方向z-o二、太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)1. 太陽(yáng)能電池組件結(jié)構(gòu)及工作原理太陽(yáng)能電池組件主要以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)制作，基木結(jié)構(gòu)包括框體及設(shè)置于框體內(nèi)的組件結(jié)構(gòu)。其中，組件結(jié) 構(gòu)包括透光的前表面玻璃基片、透明密封件（如eva膠）、電池片及背封薄膜（后表而保護(hù)部件，如pvf聚氟乙烯、 tpt/tpe）等。工作原理是太陽(yáng)光透過(guò)棊片照射在光電產(chǎn)生器件上，光電產(chǎn)生器件通過(guò)光電效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換為 電能，經(jīng)與電池紐件配套使用的光伏接線盒，將電能輸出后使川。太陽(yáng)能

4、電池在將光能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程中，并不是將全部的光能的都轉(zhuǎn)換成電能。理論研究表明，單極單晶硅材 料的太陽(yáng)能電池在0°c時(shí)的轉(zhuǎn)換效率的理論物理極限為30%。在光強(qiáng)一定的條件下，當(dāng)碇電池自身溫度升島時(shí)輸出 功率將下降。在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)條件下，晶體硅電池平均效率在15%上下。也就是說(shuō)，太陽(yáng)能電池只能將15%的 光能轉(zhuǎn)換成可川電能，其余的85%都被轉(zhuǎn)化為熱能。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，隨著熱能的增加，電池溫度不斷升高，除了光 電轉(zhuǎn)換效率大大降低外，太陽(yáng)能電池的使用壽命也將縮短。為使太陽(yáng)能電池組件能長(zhǎng)久地正常工作，現(xiàn)有技術(shù)中，在框體外加設(shè)散熱裝置（類似于水冷、氣冷等散熱系統(tǒng)， 通過(guò)循壞水或循壞氣吸熱，達(dá)到

5、散熱h的）。但熱能亦是太陽(yáng)能電池組件吸收太陽(yáng)輻射能源的一部分，若能將該部 分能源取出并收集，加以利川，而非將其視為需消散的有害熱量，便能達(dá)到充分利川能源的目的，且拓寬了太陽(yáng)能 電池紐件的使用功能。2. 太陽(yáng)能電池組件取熱方法為盡可能使電池效率保持在較鬲水平，充分利用吸收的太陽(yáng)輻射能源，同時(shí)避免熱量對(duì)組件光電轉(zhuǎn)換效率的影 響，延長(zhǎng)電池組件的使用壽命，可以通過(guò)在太陽(yáng)能電池組件上設(shè)直導(dǎo)熱層，將光電轉(zhuǎn)換過(guò)程小產(chǎn)生的熱能吸收傳導(dǎo), 并由英連接的導(dǎo)熱元件導(dǎo)出組件結(jié)構(gòu)，由外界取熱管路收集，提供給后續(xù)熱能設(shè)備使用。根擁其布置的位置在太陽(yáng) 能組件密封件內(nèi)或密封件外，導(dǎo)熱層選擇絕緣材料或是高導(dǎo)熱材料制成。導(dǎo)熱元件

6、可以是具有高導(dǎo)熱能力的金屬類 元件，或是導(dǎo)熱能力烏于金屬類元件的熱管等。通過(guò)在組件內(nèi)加設(shè)導(dǎo)熱層能實(shí)現(xiàn)將組件內(nèi)的熱能冇效快速取出，為組件提供了良好的作業(yè)溫度，確保組件光電 轉(zhuǎn)換的能力不受影響。另外，整個(gè)取熱結(jié)構(gòu)均在密封框體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)原電池組件外形無(wú)影響，安裝方便°導(dǎo)熱層直接設(shè)置于組件結(jié)構(gòu)內(nèi)雖然優(yōu)勢(shì)突出，但其制造工藝較為復(fù)雜，成品合格率低，h前還未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化 生產(chǎn)。因此本文提出另一種能容易實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能電池組件取熱方法，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電與太陽(yáng)能熱水器結(jié)介起來(lái)，把 光伏電池組件層壓在熱水器的扁盒式鋁合金集熱板上，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏光熱-體化。為驗(yàn)證該系統(tǒng)在具有較尚的 整體效率的同時(shí)還可

7、以得到溫度較高的熱水。木文通過(guò)設(shè)計(jì)制作一臺(tái)建立在家用扁盒式鋁合金平板型太陽(yáng)能熱水器 基礎(chǔ)z上的自然循環(huán)式pv/t(光伏光熱一體化)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。3. 太陽(yáng)能光伏光熱系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)在太陽(yáng)電池背而敷設(shè)流體通道是這種pv/t系統(tǒng)的核心。為使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有家庭應(yīng)用性，實(shí)驗(yàn)選用已商品化的 太陽(yáng)能電池與家用平板型太陽(yáng)能熱水器組成套完整的光伏光熱- 體化系統(tǒng)。系統(tǒng)中，電池為多晶硅電池，該電池組件在太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)狀況下的轉(zhuǎn)換效率約為14%,熱水器的集熱板為一種 h前市場(chǎng)上較為少見(jiàn)的新型扁盒式鋁合金集熱板，該集熱板是用多條厚lcm、有效寬度& 5cm、材質(zhì)厚度1 nun的扁 盒式鋁合金型條并列拼裝而成，上下聯(lián)管

8、材質(zhì)相同，集熱板結(jié)構(gòu)可見(jiàn)圖1。相比管板式集熱板，扁盒式集熱板肋片效率可認(rèn)為等于1，傳熱效果良好。相同的進(jìn)水溫度，扁盒式集熱板上 下溫差比管板武集熱板小，冇利于提窩光電池的效率和降低熱損，從而提窩系統(tǒng)的綜合效率。本實(shí)驗(yàn)中，把太陽(yáng)電池用導(dǎo)熱性能良好的密封膠分別貼附在各扁盒式鋁合金型條上半部表而上，其間用不透明 ppt絕緣，表面覆蓋以透明的乙烯醋酸乙烯脂(eya)材料，將各層連同鋁合金型條用真空層壓機(jī)抽真空緊密壓制， 以保證密封良好，各層接觸緊密。太陽(yáng)電池組件貼附完成后將各熨條并列連結(jié)，拼裝成一塊完整的復(fù)合集電熱板。結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。層床成型 后扁盒式鋁合金集熱板表面以上的太陽(yáng)能電池組件厚度2nmi

9、3mm,整個(gè)集熱板農(nóng)而平整。集電熱板上蓋4mm鋼化 玻璃，最后玻璃蓋板、集電熱板和絕緣背板一起用鋁合金邊框密封。光伏系統(tǒng)屮，硅電池標(biāo)況下的能量轉(zhuǎn)換效率14%,陣列轉(zhuǎn)換效率約11.6%。其余部分包括蒂電池和逆變器等， 町將隨太陽(yáng)輻射不斷變化的直流電貯存起來(lái)或轉(zhuǎn)變?yōu)?20v標(biāo)準(zhǔn)交流電供家用電器直接使用。復(fù)合熱水器為自然循環(huán)式，整個(gè)光伏熱水一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)如圖3所示。按照家用太陽(yáng)能熱水器性能測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)最參數(shù)包括： a陽(yáng)輛照量r,水箱溫度tw,環(huán)境溫度ts,工作電壓u,工作電流1。毎5分鐘采集一次數(shù)據(jù)，處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。玻璃蓋板空氣層液體疣道集熱板太陽(yáng)電池 鋁合

10、金框架保溫層圖1扁盒式pv/t收集器結(jié)構(gòu)圖圖2太陽(yáng)能集熱模塊示意圖住咎系壬圖3光伏熱水一體化系統(tǒng)機(jī)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)整體效率在50%左右，比普通平板型熱水器熱效率有顯著提高，更高丁單一光伏系統(tǒng)效率。 同時(shí)，經(jīng)-天日照后熱水終溫多在5o°c以上，天氣暗朗或多云時(shí)可達(dá)60°c,可以較好地滿足家庭洗浴需要。實(shí)驗(yàn)屮，系統(tǒng)電效率低于標(biāo)準(zhǔn)情況下的電池陣列效率11.6%,四個(gè)原因?qū)е律鲜鼋Y(jié)果:玻璃蓋板遮蓋、電池組 件溫度較烏，最住工作點(diǎn)偏離以及太陽(yáng)輻照度低于1000w/m2.因此 光伏電池效率將如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示在9. 5%波動(dòng)。計(jì)算可知，當(dāng)電池紐.件溫度較高時(shí)，此溫度對(duì)電

11、池效率的影響比其他可變因索更為顯著。因此，電效率在熱水 終溫較面時(shí)較小；而在日平均太陽(yáng)輻射度較小，熱水終溫較低時(shí)各因索作用效果相當(dāng)，因此系統(tǒng)電效率并不完全按 照熱水終溫的高低順序升降。但是總體來(lái)看，電效率仍近似隨熱水終溫增設(shè)而減小。對(duì)于整體pv/t系統(tǒng)而言，在技術(shù)上低進(jìn)ii水溫度冇利于提高電效率和熱效率。如果對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，則用 戶無(wú)法自行調(diào)節(jié)進(jìn)口水溫，因此在應(yīng)用上關(guān)丁進(jìn)口水溫的討論沒(méi)有意義。另外，由于熱效率電效率和高的熱水終溫 之間都是矛盾無(wú)法兼顧,選擇合適的v/a值對(duì)于在效率利熱水終溫之間取得平衡貝有重耍意義。表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)口冷水溫 度 tin/c全天最高水 溫 tmax/tj環(huán)境溫

12、度ts/c輻射強(qiáng) 度r（mj/m2）熱效率t th電效率h e整體效率h 031.653.935. 0812. 0135. 30%9. 76%45. 06%31.257.434. 8218. 2235. 90%9. 30%45. 20%29.065.135.219. 0545. 40%9.12%54. 52%38.648.133.85. 9138. 50%9. 40%47. 90%56.267.234. 4911.6121. 30%9. 38%30. 68%33.353.132. 8113. 6832. 70%9. 87%42. 57%30.163.536. 8219.240%9. 02%49

13、. 22%30.558.137. 0115. 5241.90%9. 88%51. 78%33.353.132. 8113. 6832. 70%9. 87%42. 57%三、太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)在建筑上的應(yīng)用綜合以上分析可以看出，該pv/t實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具冇較高的熱效率，系統(tǒng)整體能效率多大于50%,比單一熱水系統(tǒng) 或光伏系統(tǒng)效率有顯著提高。同時(shí)30°c左右的進(jìn)水經(jīng)一天日照厲溫度可達(dá)60°c以上，可以滿足家庭洗浴需要。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用扁盒式鋁合金式集熱板特點(diǎn)鮮明，如集熱面積可通過(guò)改變拼裝的扁盒式鋁合金烈條數(shù)卜1而隨意改 變；表面平整，易于將光伏電池真空層壓在表面上；尤其匝要的是型條z

14、間樺接良好，集熱板外表面平整美觀，便 于與建筑結(jié)合，作為外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)或鋪設(shè)在屋頂，如圖4所示，在得到熱水和電力z外可以降低建筑熱負(fù)荷，冇廣 闊應(yīng)川前景。圖4光伏光熱一體化系統(tǒng)屋頂安裝示意圖另一方面，與光伏系統(tǒng)和集熱系統(tǒng)相互分離相比，pv/t 體化系統(tǒng)在將光伏屯池與鋁介金型條層壓成形的制 作工藝上略為復(fù)雜，勞動(dòng)成木略高，但卻節(jié)省了獨(dú)立光伏系統(tǒng)中太陽(yáng)電池板所必須金屬邊框和背板材料，同時(shí)節(jié)省 了太陽(yáng)能電池板封裝的勞動(dòng)成本。因此，總體而言，一體化系統(tǒng)的生產(chǎn)成木略小于分離系統(tǒng)成本；而與光伏系統(tǒng)和集熱系統(tǒng)相互分離相比，一體 化系統(tǒng)將太陽(yáng)能電池整介在熱水器的吸熱表而上，提高了單位集熱面積的能量產(chǎn)出，因此可利用面積冇限的場(chǎng)介如 屋頂或建筑外墻上，以增加單位而積上有更多的熱電產(chǎn)出。四、結(jié)束語(yǔ)與世界先進(jìn)國(guó)家或地區(qū)相比，太陽(yáng)能建筑一體化技術(shù)在我國(guó)還處于示范項(xiàng)目階段，且都是光伏與建筑一體，而 太陽(yáng)能光伏光熱與建筑一體化是少z又少。然而，在能源和環(huán)保壓力的促進(jìn)下，太陽(yáng)